功率管的保护电路

为了保证功率管安全工作，除了要正确地选择功率管并设置合格的散热条件外，还需要设置必要的保护电路，如过压保护、过流保护、过热保护等。通常会在感性负载上并联电容和二极管，用来防止感性负载产生的感应电动势使功率管过压或过流。也可在功率管的发射极和集电极之间并联二极管，用来限制发射极和集电极之间的最高电压。不同的功率放大器，其保护电路也有所不同，实际工作中必须根据具体电路和功率管的极限参数来有针对性地设计保护电路。

1.大功率三极管的保护

1）过流保护

双极型大功率高反压三极管（GTR）也称电力晶体管，它承受电流冲击的能力很弱，即使使用快速熔断器作为其过流保护也无任何意义，因为GTR会先行烧毁。此时，只能用电子开关的快速动作来进行过流保护，其原则是在集电极电流未达到破坏元件的值之前就撤去基极驱动信号，同时加反向偏置使三极管截止。

如图5.2.6所示的是GTR的输出特性（伏安特性）曲线，图上可划分出饱和区、临界饱和区、线性放大区及截止区等四个区域。在饱和区，GTR的通态（导通状态）损耗最小，但饱和状态不利于器件迅速关闭并切换至截止区。为此，可通过减小和控制正向基极偏置使GTR处于饱和状态的边缘，即临界饱和状态。此时其通态损耗比饱和状态下稍高，但大大低于线性放大状态下的损耗。因此，工作在开关状态的GTR，其负载极限工作点应通过基极电流Ib调整在临界饱和区，如A点（Uceg ， Icg）。

图5.2.6　GTR输出特性

图5.2.7 GTR过流保护电路

由于GTR的通态压降uce与元件的工作点直接有关，故可采用uce作为过载特征参数，实行有效的过流保护。图5.2.7所示为GTR过流保护电路。

2）缓冲电路

如图5.2.8所示，在电感负载下，为了抑制GTR在关断时产生的负载自感过电压，电感L两端常常并联续流二极管DF，使GTR关断时有负载电流IL经它续流。无论是在开还是关的过程中，GTR都要经历一段时间内电压、电流同时很大的情况，这就造成开关损耗P很大，如图5.2.9所示，因此限制了器件的工作效率。为此，需采用缓冲电路来解决开关损耗过大的问题，其基本思想是错开高电压、大电流同时出现的时刻，使两者之积（瞬时功率）减小。

如图5.2.10（ a）所示为GTR关断吸收电路，它是在GTR的集电极-发射极间并联电容C，利用电容两端电压不能突变的原理，延缓GTR关断时集电极-发射极间电压Uce上升的速度，使得在Uce达到最大值之前，集电极电流Ic就已经变小，从而使关断过程瞬时功耗P变小，其原理如图5.2.10（b）所示。图5.2.10（ a）中串联电阻是为了限制GTR导通时电容的放电电流，二极管DF则是在GTR关断时将R旁路，以充分利用电容的稳压作用。

图5.2.11（a）所示为GTR开通吸收电路，其中与GTR串联的电感Ls延缓了集电极电流的增长速度，并且当电流急剧增大时会在GTR上产生较大压降，使得集电极-发射极电压

图5.2.8 GTR带电感性负载图

图5.2.9 GTR的关断、开通过程

图5.2.10 GTR的关断吸收电路

在导通时迅速下降。这样，电压、电流出现最大值的时间错开了，关断时功率损耗p明显减少，其原理如图5.2.11（b）所示。图5.2.11（a）中与Ls并联的电阻可使GTR关断后续流电流迅速衰减，二极管则在GTR导通时隔离Rs对Ls的旁路作用。

图5.2.11 GTR的开通吸收电路

在实际中常将开通与关断吸收电路组合在一起构成复合吸收电路，如图5.2.12所示的电路就是其中的一种。图中Ls 、Rs、DF组成开通吸收电路，Rs、DF、Cs组成关断吸收电路。

图5.2.13 IGBT缓冲电路

图5.2.12 GTR复合缓冲电路

2.绝缘栅双极型晶体管的保护

绝缘栅双极型三极管（IGBT）的缓冲电路如图5.2.13所示，其保护措施如下。

（1）通过检测过电流信号来切断栅极控制信号，关断器件，实现过流保护。

（2）采用吸收电路来抑制过电压，并限制过大的重加电压上升率dUce /dt 。

（3）用温度传感器检测IGBT的壳温，过热时将对主电路实行跳闸保护。

另外，IGBT在使用中必须避免出现擎住现象，即集电极电流增大到一定程度时栅极失去控制作用，漏电流增大，造成功耗急剧增加，使器件损坏。